Characteristics of subway stray current in geoelectrical resistivity observation
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摘要: 在对地铁杂散电流产生机理的讨论的基础上，定量计算了地铁运行时杂散电流在地电阻率观测中所呈现的影响幅度，结果表明地铁杂散电流传播范围可以达到几十甚至上百千米。通过对城市周边的北京通州、天津青光、宝坻、塘沽、江苏江宁和辽宁新城子等六个地电阻率观测台站观测到的该类信号的研究，分析了其幅值、主要频率范围以及空间分布特征，结果表明该类信号的幅值从几mV至几十mV不等，与源距关系密切，周期主要集中在50—200 s范围内，在分析地震异常前兆信号时该类信号可使信噪比降低10—30 dB左右，其相对方差最大超出标准20倍左右。根据地铁运行时杂散电流传播的特征，本文提出了几种压制该类信号的措施，为识别地震前地电阻率异常信息及排除噪声提供依据。Abstract: The geoelectrical resistivity observation is one of the most important methods in the study of earthquake precursor, and the characteristics of the stray current during subway operation in the geoelectrical resistivity observation are useful for analyzing the geoelectric observation data and the anomaly variation before earthquakes. Based on the study on the generation mechanism, the quantitatively results of the influence of stray current on geoelectrical resistivity observation were given in this paper. The result shows that the effect distance can reach dozens or even a hundred kilometers. Through monitoring the stray current in some geoelectrical resistivity observation stations around cities, such as Tongzhou station in Beijing, Qingguang, Baodi and Tanggu stations in Tianjin, Jiangning station in Jiangsu and Xinchengzi station in Liaoning, the amplitude and frequency range of the stray current signal as well as its spatial distribution characteristics were analyzed. It shows that the amplitude of the signal ranges from several to tens millivolt, and the period range is mainly from 50 s to 200 s. Due to the influence of stray current, the signal-to-noise ratio is decreased by 10 to 30 dB, and the accuracy of the observation data is more than 20 times worse than the specified requirement. According to the characteristics of the stray current propagation, several methods which can be used to suppress the signal were proposed in this paper, and it will provide a foundation for the identification of anomaly information from the observation data and anti-interference technology study.
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图 1 地铁单车运行时电流示意图（a）及简化等效电路图（b）
Figure 1. The schematic diagram of current （a） and equivalent circuit （b） for subway single-train operation
3 各观测台南北（左）、东西（右）测道记录的地铁杂散电流信号
（a） 北京通州台 （2014-04-21 13:00开始）；（b） 天津青光台 （2014-05-16 16:00开始）；（c） 天津塘沽台（2014-05-13 17:00开始）；（d） 天津宝坻台 （2014-05-12 11:00开始）
3. The stray current signals recorded from north-south （left） and east-west （right） channel at different observations
（a） Tongzhou station in Beijing （from 13:00，April 21，2014）；（b） Qingguang station in Tianjin （from 16:00，May 16，2014）；（c） Tanggu station in Tianjin （from 17:00，May 13，2014）；（d） Baodi station in Tianjin （from 11:00，May 12，2014）
图 3 各观测台南北（左）、东西（右）测道记录的地铁杂散电流信号
（e） 江苏江宁台 （2014-10-13 15:00开始）；（f） 辽宁新城子台 （2014-07-30 17:00开始）
Figure 3. The stray current signals recorded from north-south （left） and east-west （right） channe at different observations
（e） Jiangning station in Jiangsu （from 15:00，October 13，2014）；（f） Xinchengzi station in Liaoning （from 17:00，July 30，2014）
图 4 地铁运行时段和停运时段功率谱密度PSD对比
（a） 北京通州台；（b） 天津青光台；（c） 天津塘沽台；（d） 天津宝坻台；（e） 江苏江宁台；（f） 辽宁新城子台
Figure 4. Comparison of PSDs in subway operation with those in non-operation time period
（a） Tongzhou station in Beijing；（b） Qingguang station in Tianjin；（c） Tanggu station in Tianjin；（d） Baodi station in Tianjin；（e） Jiangning station in Jiangsu；（f） Xinchengzi station in Liaoning
图 5 天津青光台地电阻率小时观测数据曲线（2019年12月30日至31日）
（a） 南北方向地电阻率ρNS；（b） 南北方向测量均方差σNS
Figure 5. The curve of hourly geoelectrical resistivity observation data of Qingguang （30th to 31th，Dec 2019）
（a） Geoelectrical resistivity ρNS of NS direction；（b） RMS value σNS of NS direction
图 6 江苏江宁台地电阻率小时观测数据曲线（2017年1月1日至2日）
（a） 东西方向地电阻率ρEW；（b） 东西方向测量均方差σEW
Figure 6. The curve of hourly geoelectrical resistivity observation data of Jiangning （1st to 2nd，Jan 2017）
（a） Geoelectrical resistivity ρEW of EW direction；（b） RMS value σEW of EW direction
图 7 天津青光台日均值数据曲线（2017年1月1日至30日）
（a） 东西方向地电阻率ρEW；（b） 东西方向相对均方差δEW
Figure 7. The daily mean value of geoelectrical resistivity observation data （1st to 30th，January 2017）
（a） Geoelectrical resistivity ρEW of EW direction；（b） Relative RMS value δEW of EW direction
图 8 江苏江宁台日均值观测数据曲线（2017年1月1日至30日）
（a） 东西方向地电阻率ρEW；（b） 东西方向相对均方差δEW
Figure 8. The daily mean value of geoelectrical resistivity observation data （1st to 30th ，Jan 2017）
（a） Geoelectrical resistivity ρEW of EW direction；（b） Relative RMS value δEW of EW direction
图 9 江苏江宁台地电阻率交、直流小时观测数据曲线（2016年9月29日至30日）
（a） 南北方向地电阻率；（b） 东西方向地电阻率；（c） 南北方向测量均方差；（d） 东西方向测量均方差
Figure 9. Comparison of AC & DC hourly geoelectrical resistivity observation data of Jiangning station
（a） Geoelectrical resistivity of NS direction；（b） Geoelectrical resistivity of EW direction；（c） RMS value of NS direction；（d） RMS value of EW direction
表 1 地铁杂散电流导致的地电阻率测量相对误差δ随距离的变化（P1＝75，P2＝1，C＝3.33）
Table 1. The influence of stray current on geoelectrical resistivity varies with distance （P1＝75，P2＝1，C＝3.33）
测区至地铁
距离r1/kmδ dAB＝1000 m dAB＝500 m dAB＝200 m 10 8.530% 2.132% 0.341% 20 2.132% 0.533% 0.085% 30 0.948% 0.237% 0.038% 40 0.533% 0.133% 0.021% 50 0.341% 0.085% 0.014% 60 0.237% 0.059% 0.009% 70 0.174% 0.044% 0.007% 80 0.133% 0.033% 0.005% 90 0.105% 0.026% 0.004% 100 0.085% 0.021% 0.003% 
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表 2 各个台站观测装置及与地铁最近距离
Table 2. The configuration in geoelectrical resistivity observation station and its distance from the subway
序号 台站名称 与地铁最近距离/km 观测装置 测道方向 供电极距/m 测量极距/m 装置系数/m 1 北京通州台 11.0 南北、东西 1 760 320 7 351 2 天津青光台 7.6 南北、东西 1 000 316 2 237 3 天津塘沽台 城区线：40.0
九号线：7.0南北、东西
南北、东西南北：1 500
东西：1 000南北：500
东西：3003 141
2 3824 天津宝坻台 52.0 南北、东西 1 000 200 3 769 5 江苏江宁台 城区线：30.0
机场线：3.0南北、东西
南北、东西1 000
1 000300
3002 382
2 3826 辽宁新城子台 19.4 南北、东西 1 000 300 2 382
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表 3 不同台站地铁运行时杂散电流不同周期功率占比
Table 3. The distribution of power in different periods at different stations during subway operation
周期范围/s 北京通州台 天津青光台 天津塘沽台 天津宝坻台 江苏江宁台 辽宁新城子台 50—100 10.17% 19.02% 8.74% 14.78% 33.34% 24.26% 100—150 29.56% 60.50% 11.66% 54.55% 6.77% 57.57% 150—200 56.87% 18.13% 76.35% 27.00% 9.13% 15.67% 200—250 2.38% 1.68% 0.85% 1.12% 39.28% 2.10% 250—300 0.17% 0.20% 1.81% 0.57% 0.77% 0.00% 300—350 0.83% 0.47% 0.59% 1.97% 10.71% 0.40%
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表 4 六个台站记录的地铁杂散电流信号幅度及测量信噪比
Table 4. The stray current signal amplitude and the SNR for the six stations
台站名称 测道方向 人工电位差/mV 噪声幅度/mV 测量信噪比/dB 信噪比降低/dB 停运时段 运行时段 停运时段 运行时段 北京通州 南北 7 0.14 1.33 34.0 14.4 19.6 东西 7 0.17 1.16 32.3 15.6 16.7 天津青光 南北 9 0.09 4.96 40.0 5.2 34.8 东西 9 0.36 2.25 28.0 12.0 15.9 天津塘沽 南北 7 0.06 1.94 41.3 11.1 30.2 东西 10 0.40 0.79 28.0 22.0 5.9 天津宝坻 南北 41 0.07 0.48 55.4 38.6 16.7 东西 41 0.06 0.25 56.7 44.3 12.4 江苏江宁 南北 93 0.19 3.60 53.8 28.2 25.6 东西 73 0.56 13.86 42.3 14.4 27.9 辽宁新城子 南北 26 0.13 1.02 34.0 14.4 19.6 东西 26 0.10 0.46 32.3 15.6 16.7
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表 5 六个台站的地电阻率变幅与相对方差
Table 5. The maximum variation and relative RMS value of geoelectrical resistivity for six stations
台站 电阻率最大变幅/Ω·m 相对均方差 南北 东西 南北 东西 北京通州 1.83 3.99 0.65% 1.75% 天津青光 1.29 0.48 3.73% 1.72% 天津塘沽 1.72 0.59 7.57% 2.55% 天津宝坻 0.32 0.22 0.36% 0.20% 江苏江宁 1.50 5.22 1.13% 5.37% 辽宁新城子 0.09 0.05 0.15% 0.08%
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表 6 六个台站的理论避让距离（P1＝75，P2＝1，δ＝0.3%）
Table 6. The minimum distance between observation station and subway for the six stations （P1＝75，P2＝1，δ＝0.3%）
台站名称 供电极距/m 测量极距/m C＝dAB/dMN 最小避让距离/km 北京通州台 1 760 320 5.50 97 天津青光台 1 000 316 3.16 53 天津塘沽台 1 500 500 3.00 79 天津宝坻台 1 000 200 5.00 55 江苏江宁台 1 000 300 3.33 53 辽宁新城子 1 000 300 3.33 53 注：P1为地电阻率测量时噪声与信号之比，P2为地铁到台站电阻率与台站电阻率之比，δ为相对均方差。
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